Ученые уточнили время конца лунного динамо

Обычный компас будет бесполезен на Луне, которой сегодня не хватает магнитного поля. Но Луна создала магнитное поле миллиарды лет назад, и оно было даже сильнее, чем поле Земли сегодня.

Ученые считают, что это лунное магнитное поле, как и поле Земли, было создано мощным динамо. В какой-то момент динамо и созданное им магнитное поле иссякли.

Теперь ученые из Массачусетского технологического института и других стран точно определили время конца лунного динамо - около 1 миллиарда лет назад.

Новое время исключает некоторые теории того, что двигало лунное динамо на более поздних стадиях, и поддерживает один конкретный механизм: кристаллизацию ядра. Когда внутреннее железное ядро ??луны кристаллизовалось, электрически заряженная жидкость жидкого ядра была плавучей, создавая динамо.

«Магнитное поле - это та туманная вещь, которая пронизывает пространство, подобно невидимому силовому полю», - говорит Бенджамин Вайсс, профессор наук о Земле, атмосфере и планетах в Массачусетском технологическом институте. «Мы показали, что динамо, которое создавало магнитное поле Луны, закончилось где-то между 1,5 и 1 миллиардом лет назад и было приведено в действие земным способом».

За последние несколько лет группа Вейсса и другие обнаружили признаки сильного магнитного поля, около 100 микротесла, в лунных породах, возраст которых составляет 4 миллиарда лет. Для сравнения, сегодня магнитное поле Земли составляет около 50 микротесла.

В 2017 году группа Вейсса изучила образец, собранный в рамках проекта НАСА «Аполлон», и обнаружила следы гораздо более слабого магнитного поля, ниже 10 микротесла, в лунном камне, возраст которого составляет около 2,5 миллиардов лет. В то время они думали, что были задействованы два механизма для лунного динамо: первый мог генерировать гораздо более сильное, более раннее магнитное поле около 4 миллиардов лет назад, а затем был заменен вторым, более долгоживущим механизмом, который поддерживал гораздо более слабое поле, по крайней мере, до 2,5 миллиардов лет назад.

«Есть несколько идей относительно того, какие механизмы приводят в действие лунное динамо, и вопрос в том, как выяснить, какой из них это сделал?» говорит Вайс. «Оказывается, у всех этих источников энергии разное время жизни. Поэтому, если выяснить, когда динамо началось, тогда можно различить механизмы, которые были задействованы для лунного динамо».

Большинство магнитных исследований лунных образцов из миссий Аполлон были взяты из древних горных пород, возраст которых составляет от 3 до 4 миллиардов лет. Это камни, которые первоначально извергались в виде лавы на очень молодую лунную поверхность, и когда охлаждались, их микроскопические зерна выравнивались в направлении магнитного поля Луны. Большая часть поверхности Луны покрыта такими камнями, которые с тех пор остаются неизменными, сохраняя запись древнего магнитного поля.

Но обнаружить лунные породы, чья магнитная история началась менее 3 миллиардов лет назад, было гораздо труднее, поскольку к этому времени большая часть лунного вулканизма прекратилась.

«Последние 3 миллиарда лет лунной истории были загадкой, потому что о них почти нет данных», - говорит Вайс.

Тем не менее он и его коллеги определили два образца лунных пород, собранных астронавтами во время миссии Аполлон, которые подверглись огромному воздействию около 1 миллиарда лет назад и в результате были расплавлены и сварены вместе таким образом, что их древняя магнитная запись была почти стерта.

Команда взяла образцы обратно в лабораторию и сначала проанализировала ориентацию электронов каждой породы, которую Вайс описывает как «маленькие компасы», которые либо выравниваются в направлении существующего магнитного поля, либо появляются в случайных ориентациях в отсутствие такового. Для обоих образцов команда наблюдала случайные конфигурации электронов, предполагая, что породы образовались в чрезвычайно слабом или практически нулевом магнитном поле, не более 0,1 микротесла.

Затем команда определила возраст обоих образцов, используя метод радиометрического датирования, который Вайсс и Шустер смогли адаптировать для этого исследования.

Команда провела образцы через ряд тестов, чтобы увидеть, действительно ли они являются хорошими магнитными регистраторами. Другими словами, после того, как они нагрелись каким-то мощным ударом, могли ли они быть достаточно чувствительными, чтобы регистрировать даже слабое магнитное поле на Луне, если оно существовало?

Чтобы ответить на это, исследователи поместили оба образца в духовку и взорвали при высоких температурах, чтобы эффективно стереть их магнитную запись, а затем подвергли камни искусственному магнитному полю в лаборатории при охлаждении.

Результаты подтвердили, что эти два образца действительно были надежными магнитными регистраторами и что первоначально измеренная ими напряженность поля в 0,1 микротесла точно представляла максимально возможную величину чрезвычайно слабого магнитного поля Луны 1 миллиард лет назад. Вайс говорит, что поле в 0,1 микротесла настолько мало, что, вероятно, к этому времени лунное динамо закончилось.

Новые результаты совпадают с предсказанной кристаллизацией ядра, предполагаемого механизма лунного динамо, который мог генерировать слабое и долгоживущее магнитное поле в более поздней части истории Луны. По словам Вайса, до кристаллизации ядра прецессия могла приводить в действие гораздо более сильное, хотя и более короткое динамо. Прецессия - это явление, при котором твердая внешняя оболочка тела, такого как Луна, в непосредственной близости от гораздо более крупного тела, такого как Земля, колеблется в ответ на гравитацию Земли. Это колебание взбалтывает жидкость в ядре, как кофе в чашке.

Около 4 миллиардов лет назад младенческая Луна была гораздо ближе к Земле, чем сегодня, и гораздо более восприимчива к гравитационному воздействию планеты. Когда Луна медленно удалялась от Земли, эффект прецессии уменьшился, в свою очередь ослабив динамо и магнитное поле. Около 2,5 миллиардов лет назад кристаллизация ядра стала доминирующим механизмом, благодаря которому лунное динамо продолжало создавать слабое магнитное поле, которое продолжало рассеиваться, когда ядро ??луны полностью кристаллизовалось.

Далее группа будет измерять направление древнего магнитного поля Луны в надежде получить больше информации об её эволюции.